2016 Fiscal Year Annual Research Report
材料設計指針の構築を目指したセルロース結晶の表界面における分子論的描像の解明
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16J10411
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
宇都 卓也 鹿児島大学, 理工学研究科, 特別研究員(PD) (60749084)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | セルロース / キチン / イオン液体 / 溶解挙動 / 分子動力学計算 / 結晶モデル / ミクロフィブリル / 水素結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
構造多糖であるセルロースは、分子内および分子間水素結合に代表される強固な相互作用により分子鎖が連結したミクロフィブリルとして存在するため、水や一般的な有機溶媒に難溶であり、セルロースの材料利用を困難としている。2002年にイオン液体である塩化1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム（BMIMCl）がセルロースを良好に溶解することが報告されて以来、構造多糖を溶解するイオン液体が注目されてきた。本研究では、分子論的観点からのセルロースのイオン液体による溶解機構の解明を目的として、結晶モデルを対象とした分子動力学（MD）計算を実施し、イミダゾリウム型イオン液体によるセルロース溶解挙動を解析した。MD計算によるセルロース結晶モデルにおいて、分子鎖間水素結合が切断されていく溶解挙動を確認した。様々なイミダゾリウム型イオン液体中のセルロースの分子鎖間・分子内水素結合数に対する微結晶セルロース溶解度をプロットしたところ、ある程度の相関が見られ、イオン液体によるセルロース溶解に水素結合切断が寄与することが裏付けられた。
一方、構造多糖であるキチンもまた、天然で豊富な有機資源であるが、高結晶性繊維として存在するため、加工性や溶解性に乏しく、材料利用が困難である。最近、所属研究グループにより、1-アリル-3メチルイミダゾリウム臭化物塩（AMIMBr）がキチンを良好に溶解することを報告された。キチンに対しても同様にMD計算を実施し、イオン液体中での溶解挙動を検討した。MD計算結果として、AMIMBrにより、分子鎖間水素結合の切断に伴ってキチン分子鎖が結晶表面から剥離する溶解挙動を観察した。更に、対アニオンを変化させた溶解性の低いイオン液体についても、同様のMD計算を実施した。その結果、分子鎖が束になったスタッキングシート単位の脱離は観察されたが、分子鎖剥離は生じなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
最近の多糖/イオン液体の分子シミュレーション研究において、複数のイオン液体を体系的に扱った例はなく、特定のイオン液体での溶解挙動を観察した報告に留まっている。本研究では、対イオンを変化させた様々なイオン液体についてシミュレーションを実施し、セルロースやキチンに対する溶解性を定量的に再現することを達成した。この背景には、分子動力学計算に必要不可欠な分子力場パラメータ開発があり、体系的にイオン液体の物性値を再現するような設計スキームを確立した。そのため、体系的に様々なイオン液体を対象とした計算出来、今後、新規なイオン液体探索を可能にする。また、構造多糖として、セルロースだけでなく、キチンも計算対象とし、同様に溶解特性を再現する結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでにイミダゾリウム型イオン液体による構造多糖の溶解挙動を観察してきたが、溶解におけるドライビングフォースの提案を目指す。特に、対イオンの変化に伴って溶解性が異なる要因を解明する。その際、構造多糖の結晶断片を想定した結晶モデルについて、様々なサイズ・形状を設定することで、セルロースやキチン材料の表界面における溶解挙動を体系的に解析する。
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